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美国能源部SLAC国家加速器实验室进行的一项新研究揭示了黄金在被高能激光脉冲击中时的奇怪行为。

当某些材料受到强烈的激光激发时，它们很快就会分崩离析。但黄金却恰恰相反：它变得更坚韧、更有弹性。这是因为金原子一起振动的方式——它们的声子行为——发生了变化。

“我们的研究结果挑战了以前的理解，表明在某些条件下，像黄金这样的金属在受到强烈的激光脉冲时会变得更坚固而不是熔化，”贝尔法斯特女王大学的研究员Adrien Descamps说，他在斯坦福大学和SLAC担任研究生时领导了这项研究。“这与半导体形成鲜明对比，半导体变得不稳定并熔化。

几十年来，模拟暗示了这种现象的可能性，称为声子硬化。现在，使用SLAC的直线加速器相干光源，研究人员终于将这种声子硬化带到了人们面前。该团队已将他们的研究结果发布在《科学进展》上。

“看到我们的理论预测在实验中得到证实是一段迷人的旅程，”合作者艾玛麦克布莱德说，他是贝尔法斯特女王大学的研究员，曾是SLAC高能量密度科学部门的Panofsky研究员。“我们现在在LCLS上测量这些现象的精度是惊人的，它为材料科学的未来研究开辟了新的可能性。

在他们的实验中，该团队在极端条件下的物质实验舱中用光学激光脉冲瞄准了薄金薄膜，然后使用来自LCLS的超快X射线脉冲来拍摄材料反应的原子级快照。这种对黄金原子世界的高分辨率一瞥使研究人员能够观察到细微的变化并捕捉到其声子能量增加的时刻，从而提供了声子硬化的具体证据。

“我们在LCLS使用X射线衍射来测量金对激光激发的结构响应，”McBride说。“这揭示了对极端条件下原子排列和稳定性的见解。

研究人员发现，当黄金吸收极高能的光学激光脉冲时，将其原子保持在一起的力会变得更强。这种变化使原子振动得更快，这会改变金对热的反应，甚至可能影响其熔化的温度。

“这项工作解决了一个长期存在的关于金属超快激发的问题，并表明强激光可以完全交替晶格的响应，”SLAC高能量密度部门主任Siegfried Glenzer说。

研究人员认为，类似的现象可能存在于其他金属中，如铝、铜和铂。进一步的探索可以更好地了解金属在极端条件下的行为，这将有助于开发更具弹性的材料。

“展望未来，我们很高兴能够将这些发现应用于更实际的应用，例如激光加工和材料制造，在这些应用中，晨说网，在原子水平上理解这些过程可能会导致改进技术和材料，”Descamps说。“我们还计划进行更多的实验，并希望在更广泛的材料上探索这些现象。对于我们的领域来说，这是一个激动人心的时刻，我们期待着看到这些发现将我们带向何方。

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